Dissecting orientation selectivity in L2/3 V1 neurons using detailed computational models

Abstract

Using the traditional feedforward model of visual perception proposed by Hubel and Wiesel, the primary visual cortex (V1) cannot exhibit the entire range of features it is known to possess. This, coupled with the influence of factors such as inhibition, synaptic localization and plasticity, creates a highly complex system. To explore this, a detailed biophysical model of a layer 2 and 3 (L2/3) V1 pyramidal neuron was created, based on an existing model and extensively validated against experimental data. Model synaptic integration properties were evaluated, finding varied and highly nonlinear integration. Spontaneous activity patterns were compared to in vivo data, with both showing substantial similarities. The presence of robust orientation-tuned output was verified, even under conditions of dendritic input disparity. The causal generation of somatic action potentials (APs) was explored, discovering that the majority of somatic APs (~80%) are driven by sodium channel activity from the apical tree. The impact of sodium channels and AMPA/NMDA receptors on tuning was then investigated using similar experiments, finding that apical sodium channels and both apical and basal AMPA and NMDA receptors are required for orientation tuning. Furthermore, guided by the aforementioned findings, we created a reduced model of this neuron used in a simple network model, featuring an abstract but realistic representation of visual space, visual receptive fields and structured connectivity between abstract models of retinal ganglion cells, thalamic relay cells, L4 pyramidal neurons, and ultimately, L2/3 pyramidal neurons. This simplified network setup yields orientation tuned output that is not explicitly coded into the model. The addition of simplified tuned inhibitory representing cross-orientation suppression further refines the output of these reduced models, producing true tuning.

Χρησιμοποιώντας το παραδοσιακό εμπροσθόδρομο μοντέλο της οπτικής αντίληψης που πρότειναν οι Hubel και Wiesel, ο πρωτοταγής οπτικός φλοιός (V1) δεν μπορεί να διαθέτει όλη την ποικιλία χαρακτηριστικών που είναι γνωστό ότι κατέχει. Σε συνδυασμό με την επιρροή παραγόντων όπως η αναστολή, η συναπτική τοποθέτηση και η πλαστικότητα, δημιουργείται ένα περίπλοκο σύστημα. Προς εξερεύνηση αυτού, δημιουργήσαμε ένα λεπτομερές βιοφυσικό μοντέλο ενός πυραμιδικού νευρώνα στοιβάδος 2/3 (L2/3), το οποίο βασίζεται σε ένα υπαρκτό μοντέλο και η λειτουργία του οποίου έχει επαληθευτεί εκτενώς βάσει πειραματικών δεδομένων. Οι ιδιότητες συναπτικής ολοκλήρωσης του μοντέλου εκτιμήθηκαν, και βρέθηκαν ποικίλες και με υψηλό βαθμό μη-γραμμικότητας. Η αυθόρμητη δραστηριότητα του μοντέλου συγκρίθηκε με δεδομένα καταγραφών in vivo, όπου επαληθεύτηκε η ομοιότητα των δυο. Η παρουσία ισχυρών σημάτων εξόδου που επιδεικνύουν επιλεκτικότητα διεύθυνσης επαληθεύτηκε, ακόμα και υπό συνθήκες διαφοράς των δενδριτικών σημάτων εισόδου. Η αιτιακή προέλευση σωματικών δυναμικών ενέργειας (ΔΕ) αξιολογήθηκε, ανακαλύπτοντας ότι η πλειοψηφία των σωματικών ΔΕ (~80%) παράγονται μέσω δραστηριότητας διαύλων νατρίου που εδράζονται στο κορυφαίο δένδρο. Η επίδραση των διαύλων νατρίου καθώς και των υποδοχέων AMPA/NMDA στην επιλεκτικότητα διεύθυνσης διερευνήθηκε με παρόμοια πειράματα, όπου βρέθηκε πως οι δίαυλοι νατρίου στο κορυφαίο δένδρο και οι υποδοχείς AMPA/NMDA στο βασικό δένδρο είναι απαραίτητα συστατικά της επιλεκτικότητας διεύθυνσης. Επιπροσθέτως, δημιουργήσαμε ένα απλοποιημένο μοντέλο του νευρώνα προς χρήση σε ένα απλό μοντέλο δικτύου, χρησιμοποιώντας αφηρημένες αλλά ρεαλιστικές αναπαραστάσεις του οπτικού χώρου, οπτικών υποδεκτικών πεδίων και ορθώς δομημένη συνδεσιμότητα ανάμεσα στα αφηρημένα μοντέλα των υποδεκτικών πεδίων των γαγγλιακών κυττάρων του αμφιβληστροειδούς, των κυττάρων-πομπών του θαλάμου, των πυραμιδικών νευρώνων της στοιβάδας 4, και τελικά, πυραμιδικών νευρώνων στοιβάδας 2/3. Το απλοποιημένο μοντέλο επιδεικνύει επιλεκτικότητα διεύθυνσης η οποία δεν έχει προστεθεί τεχνητά. Η προσθήκη απλοποιημένων ανασταλτικών συνάψεων που επίσης επιδεικνύουν επιλεκτικότητα διεύθυνσης βελτιώνει τα σήματα εξόδου του μοντέλου περαιτέρω.